View
55
Download
2
Category
Preview:
DESCRIPTION
Yves Rabbia, astronome Observatoire de la Côte d'Azur, rabbia@obs-azur.fr 06 24 33 84 96. UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap 08_kit_univers. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
1UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
UEL une première rencontre avec l'astronomieéléments pour illustrer le cours chap 08 kit pour univers
UEL une première rencontre avec l'astronomieéléments pour illustrer le cours chap 08 kit pour univers
UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap 08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap 08_kit_univers
Yves Rabbia, astronome Observatoire de la Côte d'Azur,
rabbia@obs-azur.fr06 24 33 84 96
2UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
un kit pour l'univers ou recette pour faire...avertissementun tout petit kit
version camping , tres sommaireavec raccourcis sauvages et oublis volontaires
cela juste pour raconter un tout petit peu d'univers(restriction déjà annoncée à la session 1)
note : on ne part pas du début de l'univers (mais y a t il seulement un debut ? )
nos ingrédients
de la matière et de la lumière des interactions (façons de les combiner) des concepts pour jouer avec tout ça
3UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental_1
antiquité grecque environ 400 av JC: deux conceptions
Empedocle matiere : 4 elements : air, terre, eau, feu interactions : attirance (amour) et repulsion (haine)
Leucippe matiere : assemblage de particules infimes insecables ( a-tome), eternelles
les differents aspects de la matière resultent desdiverses façons d'assembler ces particules.
jusqu'ici, c'est speculatif, et fondé sur des conceptions intuitive, métaphysique, mystique, mythologique, ......
issue historiquel'autorité d'Aristote imposera la conception d'Empedocle
4UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental _2
la conception atomiste est réintroduite par la chimie sur des fondements experimentaux
on distingue : les atomes (corps simples, éléments chimiques)les molécules, (corps composés, assemblages d'atomes
exemples : atomes et moléculesHydrogène, Carbone, Azote, Oxygène, Fer: atomes (H,N,C,O,F)Eau, Gaz Carbonique, rouille (H2O, CO2, Fe2O3)
un grand saut dans le temps Lavoisier A.L. (1743-1794) , Proust J.L. (1754-1826) , Dalton John (1766-1844)
Avogadro A. ( 1776-1856))
éléments chimiques : tableau de Mendeléev D.I. (1834-1907)
!
5UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental _3
les acteurs permanents (longue durée)
les acteurs éphémères (courte vie) ce sont d'autres particules élémentaires : toute une faune
description minimale adaptée à nos besoins immédiats
une présence énigmatique : la matière noire matière noire = ?????
on verra plus tard pourquoi on invoque cette présence
groupés ils formentdes noyaux atomiques
des atomes
médiateurs d'interactions : ils sont présents dans les réactionsentre protons, neutrons, electrons, .....
protonsneutronsélectronsphotonsneutrinos
6UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental _4
electrons, protons, neutrons, photons, neutrinos : ils ne sont pas arrivés par magieleur introduction a demandé :
de l'imagination excitée par de l'expérimentation
découverte de l'électron : 1897, J.J.Thomson
découverte du noyau : 1911, E. Rutherford
introduction du proton : 1916, J.J.Thomson
découverte du neutron : 1932, J. Chadwick
découvertes antérieures : rayons cathodiques (1895), radioactivité (1896)
introduction du photon : 1905, A. Einstein
introduction du neutrino : 1933, E. Fermi
plus de 40 ans pour parcourir ce chemin
7UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental _5
de là, un nouveau modèle pour l'atome : le pudding
charges négatives uniformement réparties dans un milieu de charge positiveconservant la charge globale nulle connue par ailleurs
+-
-
---
-
-- J.J.Thomson
1856-1940
illustration 1 decouverte de l'electron : JJ Thomson experience : tube de crookes + aimantsenceinte à vide, chauffage d'un filament metallique, tension electrique, cible fluorescente
apport de Thomson : les atomes ne sont plus de simples billes homogèneset quoique électriquement neutres, ils comportent des particules de charge négative
vide
- +observation : impacts lumineux sur la cible interpretation : emission de particules par le filament chaufféobservation : particules guidées et accélerées par tension electrique, et trajectoire modifiée par champ magnetique, interpretation : particules de charge negative
8UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental _6exemple 2:
découverte du noyau : E. Rutherfordjets de particules sur feuille d'or repérage des déviations,
source
cible
detecteurs
de là, un nouveau modèle "noyau + nuage electrons"il invalide le pudding
electrons là dedans
noyau
E. Rutherford1871-1937
apport de Rutherford : deviations par micro-obstacles diffuseurs localisésles atomes ont un noyau compact , dense, massif
9UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental _7
Rutherford propose le modèle :atome = noyau + electrons en orbite autour
mais ce modèle se révèle incompatible avec la physique de l'époque
N. Bohr(1885-1962)
plus tard une description du noyau : assemblage de protons et de neutrons, caractérisé par 2 nbres :
Z : numero atomique, nbre de protons, A : nbre de nucleons
plus tard Niels Bohr, grace à la spectro et à la mécanique quantique,réhabilite et étend cette représentationappelée "atome de Rutherford-Bohr"
10UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental _8
à cette étape
atome = noyau + electrons qq part autournoyau = A nucleons, dont Z protonspar suite : Z electrons
car atome : charge electrique nulle
de nouveaux acteurs : les ionslorsqu'un atome perd ou gagne un (des) electron(s)sa charge electrique n'est plus nulleon a alors un "ion" (grec : ion – aller)
et deux acteurs majoritairement présents dans l'univers Hydrogène ( 1 proton, 1 electron)et Helium (2 protons, 2 neutrons, 2 électrons)
n'oublions pas l'ion H+ : 1 proton
11UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : de l'intuition au LEGO fondamental _ 9est ce l'étape ultime ??
composant charge electrique "dimension"(guillemets)
masse
proton positive e+ ou q q = 1.6 10-19 C
10-10 m 1 uma = 1.61×10-27 kg
electron negative : e = - q 10-18 m 9 × 10-31 kg proton/2000
neutron nulle 10-10 m environ 1 u.m.a
noyau ( A nucleons)
positive "Z. e+" 10-9 m 0.001 m
A u.m.a.
l'étape ultime ?? non , protons et neutrons = assemblage de quarksmais ça suffira pour l'instant
12UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière, suite tout ça pourquoi ??
pour rappeler ou montrer comment on en est arrivé à décrire divers constituants de la matièreconcepts et modèles établis via l'experimentation
pour introduire divers acteurs (des molecules aux nucléons)
pour montrer qu'on peut casser les assemblages (le noyau aussi, on verra plus tard avec les étoiles)mais pour cela il faut de l'energiepar exemple : chocs entre particules (photons inclus)
on peut intuiter aussi que si on chauffe on peut casser les edifices (molecules, atomes, noyaux,...)si on refroidit le milieu, les divers constituants peuvent s'assemblersi on sait assembler les constituants on devrait recuperer de l'energie
il nous faut alors voir comment tout ça interagitmais d'abord voyons les états de la matiere
!
13UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière : comment se présente-t-elle à notre quotidien ?trois états familiers, solide, liquide, gaz et un moins familier : plasma
note : gaz parfait : modèle thermodynamique où les particules n'interagissent pas en dehors de chocs, leur taille est négligeable devant la distance moyenne interparticuleles gaz communs , à basse pression relèvent de ce modèle
gaz : particules distantes (beaucoup d'espace entre elles)et en mouvement aléatoire incessant, tendant à occuper tout le volume offert(dihydrogene, vapeur d'eau, gaz carbonique, ...)
liquide : les particules de matière sont en contact, empilées sans ordre, les positions ne sont pas fixes, les mouvements sont aléatoires et là aussi sont amplifiés par l'élévation de temperature (eau, metal en fusion)
solide : molécules, atomes ou ions assemblés dans une structure ordonnée, périodique ( glace, métal, sel de cuisine)Ils s'écartent peu de leur position moyenne, leur mouvement d’agitation est amplifié qd la temperature augmente
plasma : pour faire bref, on dira gaz de particules chargées ( interactions electriques, à distance) ?
!
14UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
états de la matière : illustrations
gaz
liquide
solide
plasma
15UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" 1
electromagnetismeMaxwell (1831-1879)
gravitation , Newton (1642-1727)
électricité, Coulomb (1736-1806)
magnétisme, Faraday (1791-1867)
radioactivité interaction nucléaire faible Fermi 1933 interaction nucléaire forte 1967-1970gravit. revisitée, Einstein (1879 _1955)
un peu de chronologie!
16UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" _ 2comment ça marche ?
electromagnetisme : forte attirance entre charges de signes opposés (amour , hetero)
repulsion entre charges de même signe (haine , homophobie)
mais alors ?? comment tiennent les protons dans les noyaux ?
interaction forte : si l'on parvient à approcher suffisament les charges positives la repulsion () est vaincue et elles s'assemblent très très fort ( )et à l'accouplement elles libèrent de l'energie (soupirs ?)mais alors on ne les décolle plus, sauf si on leur tape dessus très très fort
gravitation : attirance entre masses (que de l'amour )
interaction faible : pour faire bref, les noyaux crachent une partie d'eux-mêmes sous forme de particules, c'est la radioactivité
!
17UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" _ 3
les forces dans la nature intensités relatives portée
interaction forte (nucleaire) 1 10 –15 m noyau
interaction elmg (atome, chimie) 1/137 infinie
interaction faible 10 – 6 10 –18 m proton(radioactivité beta et autres)
gravitation : toute matiere (ou energie), attraction mutuelle 10 -39 infinie
la gravitation est la plus faible , mais c'est celle qui gagne toujours au bout du compte
qui c'est le plus fort ??!
18UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
un peu de physique nucléaire ?
radioactivité Noyau 1 Noyau 2 + noyau Helium
radioactivité Noyau 1 Noyau 2 + [e+] + neutrino
radioactivité Noyau 1 Noyau 1' + energie la composition du noyau ne change pas mais
il y a émission d'énergie (rayonnement
radioactivité : certains noyaux changent spontanément de compositionen émettant des particules (désintégration radioactive)
note : particules élémentaires e+, neutrinos, ... tout un tas d'autresprésentes dans la nature et/ou créées dans accélerateurs (collisionneurs)particules cibles, particules projectiles
réactions nucléaires productrices d'energie :
fission : 1 lourd 2 moins lourds + autres + energiefusion : 2 legers 1 plus lourd + autres + energie
19UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
illustration : le Large Hadron Collider ( LHC) Geneve
20UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
mais quel rapport avec l'astro ??
qqs exemples en vrac
formation des étoiles : molécules, atomes, noyaux
origine du rayonnement : reactions nucléaires, particules élementaires
big bang : particules elementaires, noyaux, atomes, ...structures
nucléosynthèse primordiale : réactions nucléaires
nucléosynthèse stellaire : réactions nucléaires
physico-chimie des astres : électrons
énergie du vide ? (energie noire?)
sursauts "gamma"
....... ???voir clip fusion.mov avec real player
!
21UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 1
on a adopté la représentation : gaz parfait = ensemble de particules à grandes distances les unes des autresqui interagissent seulement par collision et qui sont en mouvement désordonné
grande = bien plus grand que la dimension des particules
en astro cette situation peut souvent s'appliquer à divers objets et comme "particules" on peut prendre : protons, electrons, atomes, ions, molecules, mais aussi petits corps du syst sol, etoiles , galaxies,....
on définit deux grandeurs physiques pour ces ensembles pression et temperature
22UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 2temperature : indicateur de l'energie cinetique moyenne des particules (mouvements désordonnés, agitation) Ecin = m. < v2 >/2 m : masse d'une particule, < v2 > valeur
moyenne des v2
la physique montre que Ecin (joules) proportionnelle à T (kelvin) constante de proportionnalité k : cste de Boltzmann, en Joule/Kelvinphenomenologie :
masses plus grandes Ecin plus grandevitesse moyenne plus grande Ecin plus grande
en résumé pour un ensemble de particules identiquesEcin plus grande signifie T plus élevée et réciproquement
et aussi : T plus grande chocs plus violentset possible casse des molecules, atomes, noyaux, .....
T.k.Ecin 23
23UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 3
pression : indicateur de la volonté naturelle d'expansion du gaz
c'est l'intensité de la force appliquée sur l'unité de surfaced'une enceinte limitant le volume accessible
modélisation : pression liée à la frequence et à la violence des chocs sur la paroi particules plus nombreuses , pression plus grandeparticules plus rapides , pression plus grande
avec tout ça , on parlera de la formation d'une étoile
On connait par ailleurs ( lycee) une loi emprique reliant pression, volume et T
Pression . Volume = cste.T
ainsi dans un volume donné, si T augmente alors P augmente les particules sont plus rapides et tapent plus fort sur ce qui empeche leur expansion : les parois de l'enceinte qui les contient
24UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
rappels utiles pour les gaz : deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 4illustration sommaire et limitée, des concepts précédents
T1 T2
T1 < T2
P1 = F1/S P2=F2/S
SSF2F1
P1 < P2ici, j'ai représenté seulement lesnchocs par des particules dont la vitesse est perpendiculaire à la paroi, en fait il y a toutes les orientations possibles pour la vitesseet c'est la composante normale à la paroi qui compte
25UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
et maintenant jouons un peu avec notre kittemperatures de casse
on a une assemblée de molecules (gaz) disons H2
elles ont une energie de liaison (pour tenir ensemble les atomes)la temperature du milieu est T : ambiante 300 Kelvinson va augmenter T sans cesse, que se passera-t-il ?
elles vont s'entrechoquer de plus en plus violemment (vitesse des rencontres)
T atteint 50 000 Kelles sont cassées et les atomes sont libérés
T atteint 150 000 Kles electrons sont separés des noyaux (ionisation de l'hydrogene), on aura une soupe de protons (ion H+) melangée à une soupe d'electrons
on augmente encore la temperatureles protons s'entrechoquent de plus en plus fortjusqu'à ce la réaction du fusion des protons commence ( 8 106 Kelvins)
!
26UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_universUNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap08_kit_univers
encore un peu de physique avant de retourner vers les étoiles et le reste ......
corps noirgravitationcorps noirgravitation
ce sera l'objet de la session suivantece sera l'objet de la session suivante
Recommended